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第一章 导论1

1.1 世界为什么变化这么快2

1.2 从自然哲学到物理学4

一、中国古代的世界图景和哲学观4

二、古代西方哲学观和物理知识6

三、古代阿拉伯的物理知识6

四、欧洲中世纪的科学为何发展缓慢7

1.3 经典物理学产生的条件和建立过程7

一、文艺复兴7

二、天文学的突破8

三、伽利略和近代力学的诞生9

四、笛卡儿、惠更斯和牛顿10

1.4 19世纪物理学的成就和危机11

一、电磁现象的研究11

二、从法拉第到麦克斯韦11

三、热力学与统计物理的建立和发展12

四、经典物理学的“危机”，两朵乌云和三大发现12

1.5 20世纪物理学的发展及其特点13

一、向微观世界和宇宙空间进军13

二、向新事物和“复杂性”进军14

三、物理学与高（新）技术15

1.6 物理学的社会教育和思想文化功能17

一、科学的双重功能17

二、物理学是“求真”的18

三、物理学是“至善”的19

四、物理学研究方法的特色20

五、物理学是“美”的20

参考资料22

第二章 航天与力学24

一、牛顿生平25

2.1 万有引力定律的发现25

二、月亮为什么不掉下来26

三、万有引力定律的建立28

四、海王星的发现30

2.2 宇宙速度与动量及机械能守恒31

一、火箭推进原理与动量守恒定律32

二、机械能守恒定律35

三、三个宇宙速度37

四、多级火箭40

2.3 人造地球卫星及其应用42

一、人造地球卫星是怎样发射的44

二、人造地球卫星等航天器的返回47

三、人造地球卫星的应用49

2.4 航天器的运动和角动量守恒54

一、椭圆轨道与角动量守恒定律54

二、失重现象及其解释58

附录2.A 火箭推进与齐奥尔科夫斯基公式60

附录2.B 力学规律的总结63

一、机械运动的两种量度——动量和动能64

二、保守力场与势能66

三、冲击摆67

习题68

参考资料68

第三章 无处不在的波70

3.1 振动70

一、一个弹簧振子的振动70

二、振动的描述72

三、电（偶极）振子模型73

3.2 声波74

一、声波——纵波74

二、波的描述75

三、声压、声强级和噪声76

3.3 电磁波概述78

一、电磁波发现的历史78

二、电磁波谱83

三、无线电波的产生84

四、电磁波——横波87

3.4 光的反射、折射和全反射88

一、惠更斯原理88

二、镜面反射88

三、两种媒质界面上光的折射和反射88

四、全反射91

3.5 光的干涉、衍射和偏振93

一、光的干涉93

二、光的衍射和分辨本领96

三、全息照相98

四、有趣的偏振光100

3.6 无线电波、广播和电视102

一、无线电波的传播102

二、无线电广播107

三、传真和电视109

四、频带宽度、载波频率和频道数目的关系110

一、微波通信111

3.7 微波、雷达及其应用111

二、雷达、多普勒效应112

三、微波能的利用114

附录3.A 相速度和群速度115

习题120

参考资料120

第四章 奇妙的有色和无色世界——光与物质的相互作用121

4.1 光的量子性121

一、光电效应121

二、康普顿效应125

三、电子对效应127

四、三种效应的相对重要性128

五、光的“波粒二重性”和测不准关系129

4.2 量子能级间的跃迁和辐射谱131

一、原子的定态和量子能级131

二、能级间跃迁的玻尔公式132

三、原子、分子和固体的光谱概述133

4.3 颜色从哪里来137

一、光的三原色137

二、色视觉138

三、光与原子相互作用的振子模型139

四、天空为什么是蓝色的142

五、云为何是白色的144

六、物质的颜色和光的吸收145

4.4 红外线与紫外线147

一、红外线的产生和吸收147

二、红外线的探测及其应用150

三、紫外线的性质、应用及其防护152

附录4.A 黑体辐射155

附录4.B 振子模型158

习题160

参考资料161

第五章 微观世界及其探索163

5.1 揭开研究微观世界序幕的三大发现164

一、X射线的发现165

二、放射性的发现166

三、电子的发现170

5.2 原子结构173

一、卢瑟福散射和原子核的发现173

二、玻尔模型176

三、电子的波粒二重性184

四、粒子运动的测不准关系186

一、X射线的产生和X射线谱188

5.3 X射线与原子结构188

二、X射线的应用192

5.4 原子核的结构193

一、中子的发现193

二、一种新的相互作用力——核力197

三、核能来源199

四、α，β和γ放射性衰变202

五、核子结构205

六、神秘的反物质207

一、电子显微镜209

5.5 探索微观世界奥秘的近代技术209

二、质子激发X射线荧光分析(PIXE)213

三、中子活化分析216

四、高能电子散射法217

五、高能粒子加速器218

附录5.A 薛定谔方程和波函数的统计解释219

习题222

参考资料223

第六章 光彩夺目的新光源224

一、激光产生原理225

6.1 激光产生原理与激光器结构225

二、激光简史和我国的激光技术228

三、激光器的结构229

四、激光器的种类232

6.2 激光的特性及应用235

一、激光的主要特性235

二、激光应用简介236

6.3 同步辐射光源的发现和特性241

一、同步辐射的发现241

二、中国科学家的贡献243

三、同步辐射的特性244

6.4 同步辐射装置和应用简介247

一、同步辐射光源的组成部分247

二、同步辐射装置的发展250

三、同步辐射应用简介251

习题260

参考资料261

第七章 物理学与新材料262

7.1 物质结构的基础知识263

一、元素是构成材料的最小单位263

二、分子结构263

三、晶体的结合类型和结构266

四、晶体特性268

五、非晶凝聚态物质269

7.2 半导体271

一、什么是半导体272

二、本征半导体和杂质半导体274

三、半导体硅材料275

四、半导体材料的应用简介276

7.3 超导材料281

一、超导体的基本特性281

三、常规超导与高温超导284

二、库柏对和BCS理论284

四、超导应用简介286

7.4 新型材料287

一、先进陶瓷287

二、新型金属288

三、纳米材料289

四、举世瞩目的？292

7.5 原子的直接观察与操纵294

一、扫描隧道显微镜295

二、原子力显微镜299

三、纳米加工和原子操纵301

参考资料303

第八章 信息技术305

8.1 信息和信息技术305

一、信息的重要作用305

二、信息技术发展的三个时期306

8.2 信息的获取307

一、传感器技术307

二、遥感技术及其分类309

三、不同波段的三类遥感及其应用310

8.3 信息的传输313

三、卫星通信314

一、移动通信手段的发展314

二、电子邮件314

四、光纤通信315

五、数字通信技术316

8.4 信息的处理和应用317

一、信息的处理317

二、信息技术的广泛应用321

参考资料322

第九章 物理学是能源科学的基础323

二、能源科学与物理学324

9.1 能源概况324

一、能源及其分类324

三、能源与环境325

四、能源危机327

9.2 能源利用和开发327

一、热能及其到机械能的转换328

二、电能331

三、机械能332

四、太阳能334

五、干净的氢能336

一、裂变发现及裂变能的释放337

9.3 裂变反应堆——核电站337

二、链式反应的可能性及可控性340

三、可控链式反应的实现341

四、核电站简介344

五、核电的优势及发展概况347

六、新一代核电站的研究开发348

9.4 可控热核聚变反应349

一、如何实现自持的聚变反应350

二、太阳中的热核聚变反应——引力约束352

三、磁约束装置353

四、惯性约束核聚变——激光核聚变355

习题356

参考资料357

第十章 医学中的物理学358

10.1 生物电磁效应在诊断和治疗中的作用359

一、生物电的发现359

二、人体生物电的由来359

三、心肌细胞的电兴奋和人工心脏起搏360

四、生物磁现象361

一、超声波的产生和接收362

10.2 超声在医学上的应用362

五、磁场与人体健康362

二、超声波的特性363

三、超声诊断364

四、利用超声多普勒技术测量血流速度365

五、超声治疗367

10.3 放射性药物在诊断和治疗中的应用367

一、放射性的基本规律368

二、短寿命核素的保存372

三、放射性药物用于诊断373

10.4 激光在医学上的应用374

四、放射性药物用于治疗374

一、激光的生物效应375

二、激光刀用于切割（气化）或烧灼治疗376

三、激光纤维内窥镜377

四、低功率激光的医学应用377

10.5 神奇的粒子手术刀378

一、γ刀378

二、医用电子直线加速器380

10.6 CT技术和磁共振成像技术381

一、从X射线摄影到XCT和ECT381

二、磁共振成像384

习题389

参考资料390

第十一章 物理学与生命科学391

11.1 什么是生命392

一、生物学家看生命392

二、物理学家看生命393

11.2 细胞内的物理和化学过程397

一、细胞是生命的基本单位397

二、细胞的大小397

四、细胞质是储能仓库400

三、细胞膜是物质输运和信息传递的通道400

五、细胞核是基因库401

六、蛋白质404

七、STM和AFM技术在生命科学中的应用404

11.3 生命源于信息405

一、什么是信息和遗传密码405

二、基因文库407

三、先有鸡还是先有蛋408

四、DNA芯片408

附录11.A 熵与信息409

参考资料415

第十二章 相对论和宇宙416

12.1 陌生的高速世界417

一、爱因斯坦的“追光实验”417

二、时间（同时性）的相对性418

三、高速旅行可以长寿吗421

四、高速运动的物体会缩短吗422

五、光速能够超越吗424

12.2 相对论动力学，质能关系425

一、质量随速度而变化425

二、改变世界的方程——质能关系式426

一、光线在太阳旁的偏折和空时弯曲429

12.3 广义相对论简介429

二、双星的引力辐射430

12.4 宇宙学大意431

一、可观测宇宙的概貌431

二、宇宙在膨胀——哈勃红移434

三、早期宇宙的遗迹——3开微波背景辐射435

四、宇宙年龄的估计438

五、大爆炸宇宙学（宇宙学的标准模型）439

12.5 恒星的诞生、演化及其归宿442

一、星际物质和恒星的诞生442

二、恒星的演化及其归宿444

三、从“天关客星”到脉冲星的发现445

四、黑洞存在吗447

12.6 太阳系和地球的起源与演化449

一、太阳系概貌449

二、太阳系的起源和演化450

三、地球的起源和演化450

四、做人是幸运的452

附录12.A 狭义相对论微观本质的一种解释453

习题456

参考资料458

第十三章 从20世纪物理学看世界459

13.1 对称性和守恒律459

一、空间-时间的平移对称性和动量-能量守恒459

二、宇称，宇称不守恒的发现460

13.2 物理学的方法论462

一、模型方法为什么灵462

二、向“极限”挑战，向“边缘”开拓，从“交叉”处找突破口463

三、“统一性”是物理学的执着追求464

五、从相对真理到绝对真理465

四、物质结构观的演变465

六、数学在物理学中的地位466

七、物理学研究中个人与集体的关系466

13.3 物理学的认识论467

一、认识论的相对性原理467

二、变革性原理468

三、转化性原理471

四、既是演员，又是观众473

参考资料474

物理常数和天文常数表475

习题答案478